JP4315768B2 - 高速鉄道車両の空調換気システム - Google Patents

Description

本発明は、空気サイクル方式の冷却装置を用いる高速鉄道車両の空調換気システムに関するものである。

従来より、鉄道車両の空調換気システムとしては、大きな潜熱を利用できるフロン系冷媒を用いる圧縮式冷凍サイクルが主流となっている。

しかし、近年地球環境の保護の観点から、広く利用されているＨＣＦＣも、１９９６年以降の消費量が制限され、２０２０年には全廃となる予定である。これらの規制に対応するために、従来の空調分野で最も利用されていた上記圧縮式冷凍システムに使用されるフロン系冷媒の代替として、より環境に優しい混合冷媒あるいはアンモニアなどの自然冷媒を用いることが再検討されている。そこで、フロンの代わりに自然冷媒である空気を用いる空気冷凍サイクルを利用した車両空調システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、新幹線（登録商標）などの高速鉄道車両では、自然換気が困難であるため、車両を気密構造とすると共に、給気ファン及び排気ファンを備えた換気装置と空調装置を組み合わせて各車両を定員に応じた風量で強制換気（常時換気）と空気調和とをすることが一般に行われている（例えば、特許文献２，３参照）。

具体的には、例えば図３に示すように、給気ファン１０１及び冷媒方式の空調装置１０２が順に設けられた給気ダクト１０６を通じて、給気ファン１０１にて車両外部から取り入れられた空気が車両１０３の車室内に一定の割合で送られる一方、車室内の空気は一定の割合で排気ファン１０４を有する排気ダクト１０７を通じて車両外部に排出されている。排気ダクト１０７は、排気ファン１０４の上流側において分岐ダクト１０７ａが分岐し、その分岐ダクト１０７ａが給気ダクト１０６の給気ファン１０１の下流側に接続され、排気の一部を給気ダクト１０１を通じて車室内に戻す構成とされている。なお、空調装置１０２において熱交換された廃熱を外部に排出するために別のファン１０５が廃熱送給ダクト１０８に設けられている。

このように、高速鉄道車両では、各車両の車室内は換気装置を介して車両外部と連通されているため、例えば車両同士のすれ違いや車両のトンネルへの侵入により車外圧力が変動した場合は、そのままでは車内圧力が急激に変動することになり、その結果、乗客に耳部に、いわゆる「耳つん現象」という不快感を生ずるという課題がある。これを防止するために、特許文献２の技術では、給気ファンの入り口及び排気ファンの出口に締切手段を設け、いずれかの車両について車外圧力変動による一定量以上の風量の増加を検出したときに、すべての車両の締切手段を閉じるように制御することによって、乗客の受ける「耳つん現象」を防止するようにしている。また、特許文献３の技術では、車両外部の気圧を検出し、該検出値により車内圧力の急激な変動を抑制するように、給気ファン及び排気ファンの回転数制御を行っている。

また、空気サイクル方式の冷却装置において、空気と接触して吸湿と放湿とを行う湿度媒体を用い、空気サイクルの作動流体としての空気の除湿を圧縮機に供給する前に行うことは知られている（例えば特許文献４参照）。
特開平１０−１７５５４４号公報（段落番号００２０〜００２２） 特開平５−２９４２３６号公報（段落番号００１０，００１６，００２０，００２１） 特開２００１−１８０４８４号公報（請求項２） 特開２０００−２５７９６８号公報（段落番号００９０，００９５及び図１参照）

発明者は、冷媒である空気をそのまま車室内に供給する空気サイクルを利用した空調換気システムとすれば、空気サイクルの圧縮機の回転数が高く、高い圧力が得られるので、前述したような締切手段を設けたり回転数制御をすることなく、前記「耳つん現象」を防止することができ、しかも、給気ファン１０１（図３参照）が必要なくなるので、システムのシンプル化を図れることに着目し、本発明を開発するに至った。

請求項１の発明は、車両外部から車両の車室内に空気が流れる給気ダクトと、前記車室内から車両外部に空気が流れる排気ダクトと、この排気ダクトに設けられ前記車室内から車両外部に前記排気ダクトを通じて空気を排出させる排気ファンとを備え、常時換気を行う高速鉄道車両の空調換気システムにおいて、前記給気ダクトに設けられ前記車室内に供給する空気を冷却する空気サイクル方式の冷却装置と、前記冷却装置の入口部分と出口部分とを接続する第１のバイパス通路と、前記第１のバイパス通路に設けられる第１の可変流量弁と、前記車室内の室温を検出する温度センサと、前記冷却装置の上流側に設けられた除湿装置と、前記除湿装置の入口部分と出口部分とを接続する第２のバイパス通路と、
前記第２のバイパス通路に設けられた第２の可変流量弁と、前記車室内の湿度を検出する湿度センサと、前記温度センサ及び湿度センサからの信号を受け前記第１及び第２の可変流量弁を制御して前記第１及び第２のパイパス通路の流量を調整すると共に、前記排気ファンのファン回転数を調整する調整手段とを備えることを特徴とする。ここで、調整手段は、継電器などを用いた電気回路によるアナログ制御により調整を行うものであってもよいし、マイクロコンピュータなどを用いたデジタル制御により調整を行うものであってもよい。

このようにすれば、空気サイクル方式の冷却装置における圧縮機が従来の給気ファンと同様の機能を発揮するので、従来必要とされた給気ファンを省略することができ、システム全体の簡素化が図れる。よって、小型簡略化を図る上で有利となる。

しかも、空気サイクル方式の冷却装置は、昇圧量が大きいため、新幹線などの高速鉄道車両特有の車外圧変動が車内へ伝播するおそれがなく、特許文献２に記載の技術のようにダクト締切手段などを用いなくても、常時換気可能となる。また、１つの排気ファンのファン回転数を調整することで、車内圧制御を行うことができ、車内圧制御のシンプル化も図れる。

また、冷却装置をバイパスするバイパス通路に設けた可変流量弁にて、バイパス通路を流れる空気の量と冷却装置にて冷却される空気の量とを調整することで、車室内に供給される空調風の温度制御が簡単にできる。

この場合、請求項２に記載のように、前記車室内の圧力を検出する第１の圧力センサと、前記車室外の圧力を検出する第２の圧力センサとを備え、前記調整手段は、前記第１及び第２の圧力センサからの信号を受け、前記第１及び第２の圧力センサからの信号に基づき前記排気ファンのファン回転数を調整することが望ましい。

空気サイクル方式の冷却装置を用い、外部から取り入れ冷却した空気をそのまま車室内に供給するので、その空気を除湿装置により湿度制御を行うことで、車室内の湿度制御が可能となる。この場合、除湿装置をバイパスするバイパス通路に設けた可変流量弁にて、バイパス通路を流れ除湿されない空気の量と除湿装置にて除湿される空気の量とを調整することで、車室内に供給される空調風の湿度制御が簡単にできる。

請求項３に記載のように、上流端が大気に開放され、前記空気サイクル方式の冷却装置の熱交換器、前記除湿装置の加湿部および送給ファンを経て、下流端が大気に開放される廃熱送給ダクトを有することが望ましい。

このようにすれば、空気サイクル方式の冷却装置の熱交換器の廃熱を利用して、効率のよい湿度制御が可能となる。

請求項４に記載のように、暖房時に、前記給気ダクトの下流端を大気に開放する一方、前記給気ダクトの下流端に代えて前記廃熱送給ダクトの下流端を前記車室に接続可能とするダクト接続切替機構が設けられている構成とすることも可能である。

このようにすれば、ダクトの配管を変更するだけで、除湿冷房だけでなく、加湿暖房にも利用することができる。

以上のように構成したから、環境問題となっている冷媒であるフロン（あるいは代替フロン）を用いることなく、常時換気を行う高速鉄道車両における空調機能を得ることができる。排気ファンのファン回転数調整による車内圧力制御が可能となり、いわゆる「耳つん現象」を防止できる。

以下、本発明に係る実施の形態を図面に沿って詳細に説明する。

図１及び図２は本発明に係る高速鉄道車両の空調換気システムの概略構成であって、それぞれ、除湿冷房時及び加湿暖房時の状態を示す説明図である。

本発明に係る高速鉄道車両の空調換気システムは、車両１の車室内の常時換気を行うものであって、車両１の車室内の後部に通じる給気ダクト２（給気通路）と、車両１の車室内の前部に通じる排気ダクト３（排気通路）とを備える。

給気ダクト２には、上流側から、除湿部１１Ａと加湿部１１Ｂ（放湿部）とを有する除湿装置１１（例えばロータリ式の除湿器）及び空気サイクル方式の冷却装置１２が順に設けられている。

冷却装置１２は、圧縮機１２Ａ、熱交換器１２Ｂ及び膨張機１２Ｃとが順にダクト接続されてなり、空気サイクルによって車両１の車室内に供給する空気を冷却するように構成されている。この冷却装置１２の上下流（圧縮機１２Ａの入口側部分と膨張機１２Ｃの出口側部分）が、第１のバイパス通路１３にて接続されている。この第１のバイパス通路１３には、第１のバイパス通路１３を流れる空気の量を調整する第１の可変流量弁１４（電磁式可変流量弁）が設けられている。

そして、第１の可変流量弁１４を、例えばマイクロコンピュータからなる制御手段Ｕ（調整手段）によって制御して、冷却装置１２を流れる空気量と第１のバイパス通路１３を流れる空気量の比率を調整することで、車両１の車室内に送給される冷却風の温度を調整（最適化）するように構成されている。この調整は、例えば車両１の車室内の温度を検出する温度センサＳ１よりの温度信号に基づいて行われる。

冷却装置１２の上流側に位置する除湿装置１１の上下流（除湿装置１１の入口側部分と出口側部分）が第２のバイパス通路２１にて接続されている。この第２のバイパス通路２１には第２の可変流量弁２２（電磁式可変流量弁）が設けられている。

そして、第２の可変流量弁２２も、制御手段Ｕにて制御され、除湿装置１１を流れる空気量と第２のバイパス通路２１を流れる空気量の比率を調整することで、車室内に送給される冷却風の湿度を調整する構成とされている。この調整は、例えば車両１の車室内の湿度を検出する湿度センサＳ２よりの湿度信号に基づいて行われ、図１に示す場合は除湿冷房、図２に示す場合は加湿暖房されることになる。

冷却装置１２の熱交換器１２Ｂには、上流端が大気に開放され、熱交換器１２Ｂ、除湿装置１１の加湿部１１Ｂおよび送給ファン３１を経て、下流端が大気に開放される廃熱送給ダクト３２が設けられている。これにより、冷却装置１２の熱交換器１２Ｂから熱交換により得られた廃熱は、送給ファン３１によって、廃熱送給ダクト３２を通じて除湿装置１１に送られ、除湿装置１１の除湿を促進させるようになっている。この送給ファン３１も制御手段Ｕによって回転数制御される。

排気ダクト３には、排気ファン４１が設けられ、制御手段Ｕが、排気ファン４１のファン回転数を調整して車内圧を制御するように構成されている。この調整は、例えば車両１の車室内の圧力を検出する車内圧力センサＳ３（第１の圧力センサ）および車室外の圧力を検出する車外圧力センサＳ４（第２の圧力センサ）よりの圧力信号に基づいて、車内圧がほぼ一定圧に維持され、いわゆる「耳つん現象」を防止するように行われる。

排気ダクト３は、排気ファン４１の下流側において、大気にそのまま開放される第１のダクト部分３ａと、給気ダクト２に一部を送給する第２のダクト部分３ｂとに分岐されるように構成されている。

上記のように構成すれば、冷却装置１２が作動を開始することで、給気ダクト２を通じて外気（空気）が取り入れられる。この外気は、まず、除湿装置１１の除湿部１１Ａで除湿される。つまり、湿度センサＳ２からの信号に基づき、車室内の湿度に応じて制御手段Ｕにて第２可変流量弁２２が制御され、その第２の可変流量弁２２により第２のバイパス通路２１を流れる空気の量が調整される。これにより、除湿部１１Ａを通過する空気の量と除湿部１１Ａをバイパスする空気の量とのバランスで、車室内に供給される空気の湿度が調整される。

それから、湿度制御された空気が圧縮機１２Ａによって圧縮され、空気の温度及び圧力が上昇する。圧縮された空気は熱交換器１２Ｂに流れ、廃熱送給ダクト３２を流れる空気と熱交換されて冷却される。冷却された空気は膨張機１２Ｃで膨張し、空気の温度及び圧力が低下する。そして低温となり適度な湿度を有する空気が、車室内に供給される。このときも、温度センサＳ１からの信号に基づき、制御手段Ｕにて第１の可変流量弁１４が制御され、第１の可変流量弁１４により第１のバイパス通路１３を流れる空気の量が調整される。これにより、冷却装置１２を通過する空気の量と冷却装置１２をバイパスする空気の量とのバランスで、車室内に供給される空気の温度が制御される。よって、空気サイクル方式の冷却装置１２により冷却された空気が車室内に常時供給されるが、冷却装置１２を一部バイパスさせることで、温度制御がなされ、結果として車室内の過冷却が回避される。

一方、車室内の空気は、排気ダクト３を通じて排出される。その排出量は、排気ファン４１のファン回転数を調整することにより調整される。この調整により車内圧力（車室内の圧力）が制御される。排気の一部は、第２のダクト部分３ｂを通じて給気ダクト２に供給されて給気と混合され、再び同様に除湿制御・冷却制御が行われ、車室内に戻される。

車内圧力の制御は、圧力センサＳ３，Ｓ４からの信号に基づき、制御手段Ｕにて排気ファン４１のファン回転数が調整され、車室内から排出される空気量を調整することで行われる。つまり、１つの排気ファン４１のファン回転数を調整することで、車内圧力制御が実行され、いわゆる「耳つん現象」が回避される。

上記空調換気システムは、具体的には図示していないが、暖房時には、図２に示すように、給気ダクト２の下流端２ａ（冷却装置１２より下流側部分の下流端）に代えて、廃熱送給ダクト３２の下流端３２ａ（除湿装置１１より下流側部分の下流端）を車室の後部に接続可能とするダクト接続切替機構が設けられている。つまり、給気ダクト２の冷却装置１２の下流側部分（給気ダクト２の下流端２ａ）を車両１の車室に接続するのに代えて、冷却装置１２の熱交換器１２Ｂから得られた廃熱（空気）を運ぶ廃熱送給ダクト３２の送給ファン３１の下流側（廃熱送給ダクト３２の下流端３２ａ）を車両１の車室に接続できるようにダクト配管が変更可能に構成されている。なお、このダクト接続切替機構は、作業者が手作業によってダクト配管の変更を行うように構成されたものであってもよいし、周知の機構を利用して機械的にダクト配管の変更を行うように構成されたものであってもよい。

暖房が要求されるときには、前述したようにダクト配管を変更することにより、給気ダクト２の下流端２ａ（冷却装置１２の下流側部分の下流端）が大気に開放される一方、冷却装置１２の熱交換器１２Ｂから熱交換により得られた廃熱によって温められた空気が車両１の車室内に導入され、車室内の暖房が行われる。このとき、車室内への送給に先立って、空気は除湿装置１１の加湿部１１Ｂを通過するので、適度に加湿され、加湿暖房が実現される。

本発明に係る高速鉄道車両の空調換気システムの概略構成であって、除湿冷房時の状態を示す説明図である。 本発明に係る高速鉄道車両の空調換気システムの概略構成であって、加湿暖房時の状態を示す説明図である。 従来の空調換気システムの概略構成を示す説明図である。

符号の説明

１ 車両
２ 給気ダクト
２ａ 下流端
３ 排気ダクト
１１ 除湿装置
１１Ａ 除湿部
１１Ｂ 加湿部
１２ 冷却装置
１２Ａ 圧縮機
１２Ｂ 熱交換器
１２Ｃ 膨張機
１３ 第１のバイパス通路
１４ 第１の可変流量弁
２１ 第２のバイパス通路
２２ 第２の可変流量弁
３１ 送給ファン
３２ 廃熱送給ダクト
３２ａ 下流端
４１ 排気ファン
Ｕ 制御手段（調整手段）
Ｓ１ 温度センサ
Ｓ２ 湿度センサ
Ｓ３ 車内圧力センサ（第１の圧力センサ）
Ｓ４ 車外圧力センサ（第２の圧力センサ）

Claims (4)

1. 車両外部から車両の車室内に空気が流れる給気ダクトと、前記車室内から車両外部に空気が流れる排気ダクトと、この排気ダクトに設けられ前記車室内から車両外部に前記排気ダクトを通じて空気を排出させる排気ファンとを備え、常時換気を行う高速鉄道車両の空調換気システムにおいて、
   前記給気ダクトに設けられ前記車室内に供給する空気を冷却する空気サイクル方式の冷却装置と、
   前記冷却装置の入口部分と出口部分とを接続する第１のバイパス通路と、
   前記第１のバイパス通路に設けられる第１の可変流量弁と、
   前記車室内の室温を検出する温度センサと、
   前記冷却装置の上流側に設けられた除湿装置と、
   前記除湿装置の入口部分と出口部分とを接続する第２のバイパス通路と、
   前記第２のバイパス通路に設けられた第２の可変流量弁と、
   前記車室内の湿度を検出する湿度センサと、
   前記温度センサ及び湿度センサからの信号を受け前記第１及び第２の可変流量弁を制御して前記第１及び第２のパイパス通路の流量を調整すると共に、前記排気ファンのファン回転数を調整する調整手段とを備えることを特徴とする高速鉄道車両の空調換気システム。
2. 前記車室内の圧力を検出する第１の圧力センサと、
   前記車室外の圧力を検出する第２の圧力センサと、
   前記調整手段は、前記第１及び第２の圧力センサからの信号を受け、前記第１及び第２の圧力センサからの信号に基づき前記排気ファンのファン回転数を調整することを特徴とする請求項１記載の高速鉄道車両の空調換気システム。
3. 上流端が大気に開放され、前記空気サイクル方式の冷却装置の熱交換器、前記除湿装置の加湿部および送給ファンを経て、下流端が大気に開放される廃熱送給ダクトを有する請求項１または２記載の高速鉄道車両の空調換気システム。
4. 暖房時に、前記給気ダクトの下流端を大気に開放する一方、前記給気ダクトの下流端に代えて前記廃熱送給ダクトの下流端を前記車室に接続可能とするダクト接続切替機構が設けられている請求項３記載の高速鉄道車両の空調換気システム。

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